ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ГЕНЕРАТОР УДАРНО-АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН Российский патент 1999 года по МПК A61B17/22 G10K15/06 B06B1/02 

Изобретение относится к технике генерирования ударно-акустических волн в жидких средах и может найти применение в медицине для неинвазивной литотрипсии и физиотерапии, научных исследованиях, гидролокации, океанологии, микробиологии и т.д.

Известны устройства для генерирования ударно-акустических волн (УВ) в жидких средах, выполненные в виде набора пьезоэлектрических излучателей, мозаично закрепленных на заданной поверхности, подключенных к генераторам импульсного напряжения, которые управляются по моменту включения для получения УВ с практически любой заданной формой фронта. Общим у рассматриваемого устройства с предлагаемым изобретением является то, что излучаемая УВ является суперпозицией УВ от системы источников [1, 2].

Недостатком пьезоэлектрических генераторов является сравнительно низкая амплитуда давления излучаемой УВ и ненадежность, обусловленная большим количеством излучающих элементов и источников питания для них, дороговизна и сложность технологической обработки пьезоэлектриков.

Другой известный тип генераторов УВ выполнен на основе электромагнитного излучателя, метающего металлическую мембрану заданной формы. Теоретически возможно, придавая мембране заданную форму, получать ударные волны с различным профилем, фронта, однако из-за сложности изготовления на практике используются только плоские, сферические и цилиндрические мембраны. Кроме того, такие генераторы требуют создания устройства с малым зазором (10-100 мкм) между электромагнитным излучателем и метаемой мембраной, а также источников питания с малой индуктивностью [2, 3].

Наиболее близким к описываемому является устройство для генерации ударно-акустических волн, содержащее корпус, заполненный электропроводящей жидкостью, первый и второй разрядные металлические электроды и активные электропроводящие элементы-штырьки (обострители), установленные на одном из электродов и подключенные к генератору импульсного напряжения, включающего в себя емкостный накопитель и управляемый разрядник [4].

В этом устройстве использовано небольшое число активных обострителей, выполненных в виде острий электрода, размещенных в слабопроводящей жидкости и расположенных в варианте обычной ориентации электродов, т.е. когда электрод-пластина располагается напротив электродов-обострителей. При подаче на электроды импульсного напряжения на обострителях образуется плазменный пузырек, являющийся источником ударной волны. При достаточно большом расстоянии между электродами формирование ударной волны с необходимо заданной геометрией волнового фронта без дополнительных приспособлений таким устройством невозможно. В таком устройстве разряд происходит в закрытом (электродами) пространстве для выхода ударно-акустических волн с необходимой формой фронта и геометрией волнового поля. Такое расположение электродов не выгодно с точки зрения вывода ударно-акустических волн с излучающей поверхности электродов-обострителей, так как при выходе УВ во внешнюю среду через противоположный электрод-пластину теряется часть энергии. Кроме того, генерируемая вблизи активных элементов-штырьков ударная волна отражается от противоположного электрода, возникают дополнительные сигналы-помехи из-за многократных отражений ударной волны в промежутке между электродами.

Таким образом, к недостаткам известного технического решения относятся невозможность получения одиночных ударно-акустических волн с требуемой формой фронта и геометрией волнового поля, относительно малая выходная амплитуда ударно-акустической волны из-за прохождения через один из электродов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение ударно-акустической волны большой амплитуды с наперед заданной геометрической формой фронта и геометрией волнового поля.

Сущность изобретения состоит в том, что в отличие от известного электроразрядного генератора ударно-акустических волн, содержащего установленные в заполненном электропроводной жидкостью корпусе два разрядных электрода и активные электропроводные элементы (обострители), электрически соединенные с одним и электродов, а также подключенный к электродам генератор импульсного напряжения, включающий в себя управляемый разрядник и емкостный накопитель, в предлагаемом техническом решении корпус выполнен с акустически призрачным окном, первый разрядный электрод выполнен в виде ячеистой структуры и размещен на поверхности диэлектрической подложки с отверстиями напротив акустически прозрачного окна, а второй электрод установлен за диэлектрической подложкой, при этом рабочие поверхности активных электропроводных элементов размещены вдоль поверхности, геометрически подобной требуемой пространственной форме фронта ударной волны, а суммарная рабочая площадь активных электропроводных элементов не менее чем в 3 раза меньше площади отверстий в подложке и не менее чем в 30 раз меньше площади противоположного электрода.

Активные электропроводные элементы могут быть укреплены на первом электроде в промежутках между отверстиями.

Активные электропроводные элементы могут быть также жестко закреплены на поверхности второго электрода и размещены в отверстиях диэлектрической подложки соосно с ними.

Кроме того, первый электрод может быть выполнен в виде сетки, например металлической, активные элементы - в виде узлов сетки, а поверхность последней может быть покрыта диэлектриком за исключением ее узлов со стороны акустически прозрачного окна.

Вместе с тем, в электроразрядном генераторе ударно-акустических волн первый электрод может быть выполнен в виде множественной регулярной структуры по типу сот с равноотстоящими друг от друга электропроводными выступами разнообразной геометрии, например, в форме дисков, колец, звездочек, которые являются активными электропроводными элементами, при этом поверхность электрода и выступов, кроме торцов выступов, может быть покрыта диэлектриком.

Кроме того, диэлектрическая подложка первого электрода может быть выполнена из пластичного диэлектрика, например резины.

Первый электрод может быть выполнен из электропроводного эластичного или пластичного материала.

Также в электроразрядном генераторе ударно-акустических волн и второй электрод может быть выполнен в виде сетки.

Кроме того, оба электрода и диэлектрическая подложка могут быть выполнены из эластичного материала.

Электроразрядный генератор ударно-акустических волн может быть снабжен блоком регулирования и изменения формы поверхности подложки и электродов.

Дополнительно также в электроразрядный генератор ударно-акустических волн может быть введена система прокачки рабочей жидкости.

Наконец, в электроразрядный генератор ударно-акустических волн может быть дополнительно введен программный блок управления разрядниками и N-1 дополнительных генераторов импульсного напряжения, а электроды разделены на N секций, каждая из которых подключена к отдельному генератору импульсного напряжения.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в том, что данное техническое решение позволяет исключить потери энергии при прохождении ударно-акустической волны через электрод, получать ударно-акустические волны с широким диапазоном амплитудно-временных параметров, произвольно заданной формой фронта и геометрией волнового поля, осуществлять изменение положения фокуса ударной волны при фокусировке и самой формы фронта при генерировании ударно-акустических волн произвольной конфигурации в процессе работы генератора, обеспечивает большую надежность и долговечность и за счет этого расширяет область применения подобной аппаратуры.

На фиг. 1 показана схема устройства, например, для формирования полусферической геометрии УВ.

Устройство содержит первый электрод 1 и второй электрод 2, которые, например, для формирования ударной волны со сферической формой фронта, выполнены в форме подобной требуемой форме фронта, т.е. в виде сегментов сферы; первый электрод находится на диэлектрической подложке 3 с отверстиями 4, на первом электроде находятся активные электропроводные (излучающие) элементы 5, система электродов заключена в корпус 6, имеющий акустически прозрачное окно 7 и заполненный электропроводящий жидкостью 8.

На фиг. 2 показано, например, устройство для формирования ударной волны с плоским фронтом. Первый электрод 1 и второй электрод 2 - плоские. Первый электрод 1 находится на диэлектрической подложке 3 с отверстиями 4, на втором электроде 2 предусмотрены активные элементы 5, выполненные в виде электропроводящих штырьков, расположенных в отверстиях 4.

Устройство может быть осуществлено, например, следующим образом. В заполненном электропроводной жидкостью корпусе 6 /фиг. 1/ установлены первый разрядный электрод 1 и второй разрядный электрод 2, а также активные электропроводящие элементы 5, электрически соединенные с одним из электродов [1]. Разрядные электроды подключены к генератору импульсного напряжения, который включает в себя управляемый разрядник и емкостный накопитель. Корпус 6 выполнен с акустически прозрачным окном. Первый разрядный электрод 1 выполнен в виде ячеистой структуры, размещен на поверхности диэлектрической подложки 3 с отверстиями 4 и установлен напротив акустически прозрачного окна, выполненного из тефлоновой пленки. Второй электрод 2 установлен за диэлектрической подложкой 3. Рабочие поверхности активных электропроводных элементов 5 размещены вдоль поверхности, геометрически подобной требуемой пространственной форме фронта ударной волны, а суммарная рабочая площадь излучающих элементов в 5 раз меньше площади отверстий в подложке и в 80 раз меньше площади противоположного электрода.

Верхний предел отношений упомянутых площадей для достижения указанного технического результата в принципе не ограничен, что подтверждено экспериментально, и все зависит только от технологических возможностей конкретного устройства.

Устройство работает следующим образом. При подаче запускающего импульса на управляемый разрядник происходит подключение емостного накопителя к цепи, состоящей из разрядных электродов и рабочей жидкости между ними. В разрядном контуре возникает импульс тока, скорость нарастания которого ограничена индуктивностью разрядной цепи. Повышенная плотность тока на ограниченной проводящей поверхности каждой ячейки приводит к интенсивному джоулевому нагреву рабочей жидкости вблизи поверхности обострителя (ячейки), вскипанию рабочей жидкости, образованию парогазовой прослойки и искрового разряда в этой прослойке, обеспечивающего ее дополнительный разогрев. Расширяющиеся жидкость и парогазовый каналы на каждой ячейке формируют в жидкости расходящиеся сферические акустические или ударные волны, суперпозиция которых от всех ячеек приводит к образованию суммарной ударно-акустической волны, пространственная форма которой геометрически подобна форме поверхности ячеистого профилированного электрода. Использование в качестве рабочей жидкости электролитов, например, 5-20% раствора NaCl, позволяет разрядиться конденсаторной батарее раньше, чем произойдет образование плазменной перемычки между электродами. Химический состав электролита на течение разряда и излучение ударной волны влияние не оказывает, имеет значение лишь его проводимость.

По сравнению с известными техническими решениями, преимуществом использования данного изобретения, вкупе с развитием и/или уточнением совокупности его существенных признаков применительно к частным случаям выполнения или использования изобретения, является получение ударно-акустических волн с произвольно заданной пространственно-временной формой фронта УВ, возможность изменения в процессе работы генератора формы фронта УВ и в том числе фокусного расстояния фокусируемой УВ, обеспечение большей надежности и долговечности за счет уменьшения числа источников тока, подводящих линий и уменьшения динамических и тепловых нагрузок на разрядные электроды. В конструкции изобретения нет узлов, для изготовления которых требуются сложные технологии и дорогие материалы, а также узлов, требующих замены в процессе эксплуатации.

Предложенное техническое решение обеспечивает достижение нового положительного эффекта, ранее не имевшего места ни в одном из известных устройств, и за счет этого расширяет область применения генераторов ударных волн.

Литература
1. Патент США N 4526168 кл. A 61 B 17/22, 1985.

2. Х.Райхенбергер. Литотрипторы. - ТИИЭР, Т. 76, N 9, сентябрь 1988 г.

3. H.Reichenberger and G.Naser. Electromagnetic acoustic source for the exteracorporeal generation of shock waves in litrhotripsy. - Siemens Forsch. - u. Futwickl. - Ber., vol. 15, pp. 187-194, Apr. 1986.

4. Теляшов Л.Л. Особенности развития беспробойного разряда в жидкости. - Электронная обработка материалов, 1989, N 2.

Изобретение относится к технике генерирования ударно-акустических волн в жидких средах и предназначено для использования в медицине для неинвазивной литотрипсии и физиотерапии, а также в гидролокации, океанологии, микробиологии. Корпус генератора ударно-акустических волн снабжен акустически прозрачным окном. Первый разрядный электрод выполнен в виде ячеистой структуры, размещен на поверхности диэлектрической подложки с отверстиями и установлен напротив акустически прозрачного окна. Второй разрядный электрод установлен за подложкой. Рабочие поверхности активных электропроводных элементов размещены вдоль поверхности, геометрически подобной требуемой пространственной форме фронта ударно-акустической волны, а суммарная рабочая площадь активных излучающих элементов по крайней мере в 3 раза меньше площади отверстий в подложке и по крайней мере в 30 раз меньше площади противоположного электрода. Предложенное техническое решение позволяет получать ударно-акустической волны с широким диапазоном амплитудно-временных параметров, произвольно заданной формой фронта и геометрией волнового поля, а также осуществлять изменения положения фокуса ударной волны при фокусировке, т.е. генератор обладает расширенными функциональными возможностями. 11 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Электроразрядный генератор ударно-акустических волн, содержащий установленные в заполненном электропроводной жидкостью корпусе два разрядных электрода и активные электропроводные элементы, электрически соединенные с одним из электродов, а также подключенный к электродам генератор импульсного напряжения, включающий в себя управляемый разрядник и емкостной накопитель, отличающийся тем, что корпус выполнен с акустически прозрачным окном, первый разрядный электрод выполнен в виде ячеистой структуры и размещен на поверхности диэлектрической подложки с отверстиями напротив акустически прозрачного окна, а второй электрод установлен за диэлектрической подложкой, при этом рабочие поверхности активных электропроводных элементов размещены вдоль поверхности, геометрически подобной требуемой пространственной форме фронта ударной волны, а суммарная рабочая площадь активных электропроводных элементов не менее чем в 3 раза меньше площади отверстий в подложке и не менее чем в 30 раз меньше площади противоположного электрода. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что активные электропроводные элементы укреплены на первом электроде в промежутках между отверстиями. 3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что активные электропроводные элементы жестко закреплены на поверхности второго электрода и размещены в отверстиях диэлектрической подложки соосно с ними. 4. Генератор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый электрод выполнен в виде сетки, например металлической, активные элементы - в виде узлов сетки, а поверхность последней покрыта диэлектриком за исключением ее узлов со стороны акустически прозрачного окна. 5. Генератор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый электрод выполнен в виде многоэлементной регулярной структуры по типу сот с равноотстоящими друг от друга электропроводными выступами, например в форме дисков, колец, звездочек, которые являются активными электропроводными элементами, при этом поверхность электрода и выступов, кроме торцов выступов, покрыта диэлектриком. 6. Генератор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что подложка выполнена из пластичного диэлектрика, например резины. 7. Генератор по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что первый электрод выполнен из электропроводного эластичного или пластичного материала. 8. Генератор по любому из пп.1, 2 и 4-7, отличающийся тем, что второй электрод выполнен в виде сетки. 9. Генератор по любому из пп.1-5 и 8, отличающийся тем, что оба электрода и диэлектрическая подложка выполнены из эластичного материала. 10. Генератор по любому из пп.1 и 6-9, отличающийся тем, что он снабжен блоком регулирования и изменения формы поверхности подложки и электродов. 11. Генератор по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что в него дополнительно введена система прокачки рабочей жидкости. 12. Генератор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что в него дополнительно введен программный блок управления N разрядниками и N-1 дополнительных генераторов импульсного напряжения, а электроды разделены на N секций, каждая из которых подключена к отдельному генератору импульсного напряжения.